Linux 内核 rcu flavor

时间: 2024-08-19 12:01:26 浏览: 67

linux 内核RCU机制分析

本文章主要分为3个章节来介绍linux 内核中RCU 机制。首先分析RCU机制的原理及发布-订阅机制，原理部分介绍都配有图形方便理解其原理机制。在理解了rcu原理机制基础上文章会详细介绍linux 内核中RCU 的核心API的用法及注意事项，方便读者快速准确的使用这些API来保护并发资源。最后会给出linux 内核使用RCU的示例。该文章是一篇很好的理解使用linux RCU机制的文章。 ### Linux内核RCU机制分析 #### 一、概述 Read-Copy-Update（简称RCU）是一种在Linux内核中广泛使用的并发控制技术。它主要用于处理读取密集型场景下的数据一致性问题，通过允许读操作不受写操作的影响，从而提高了系统的并发性能。 #### 二、RCU机制 ##### 2.1 发布-订阅机制 RCU的核心思想之一是“发布-订阅”模式。在RCU机制中，“发布者”指的是那些进行数据修改的操作，而“订阅者”则是读取这些数据的操作。为了确保数据的一致性，RCU维护了一个复杂的机制来跟踪哪些数据已经被修改，并确保所有订阅者都完成了对旧数据的访问之后，才会允许发布者将新数据正式发布出去。 **发布阶段：** 1. **修改数据**：当一个进程想要修改数据时，它会先复制一份当前的数据副本，并在副本上进行修改。 2. **标记更新**：修改完成后，将这个副本标记为即将发布的更新版本。 3. **等待所有读者完成读取**：此时，系统会进入一个短暂的等待期，在此期间，任何正在读取旧数据的进程都需要完成读取。这一步骤通常通过调用`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`来实现，以确保读取操作不会被中断。 4. **正式发布**：一旦确认所有读者已经完成了读取，系统就会正式发布更新版本。 **订阅阶段：** 1. **锁定读取**：在开始读取之前，进程需要调用`rcu_read_lock()`函数来锁定读取操作。 2. **读取数据**：读取操作可以安全地进行，不会受到其他修改操作的影响。 3. **解锁读取**：完成读取后，调用`rcu_read_unlock()`来释放锁。为了更直观地理解这一过程，下面提供了一张简化的发布-订阅机制图： ``` +----------------+ +-----------------+ +---------------+ | 修改数据 | | 等待读者完成 | | 正式发布 | | (创建副本) | -> | (rcu_read_lock) | -> | | +----------------+ +-----------------+ +---------------+ | | | | v v +-----------------+ <- +--------------+ | 读取数据 | | 完成读取 | | (rcu_read_lock) | | (rcu_read_unlock)| +-----------------+ <- +--------------+ ``` ##### 2.2 等待已存在的RCU读者完成在RCU机制中，为了确保数据的一致性，必须等到所有正在进行读取操作的进程完成读取后，才能进行数据的正式发布。这个过程通常被称为“quiescent state”（静默状态），即系统进入一个短暂的静默期，等待所有读者完成读取。当一个进程调用了`rcu_read_lock()`后，它就成为了一个RCU读者。只有当所有这样的读者都调用了`rcu_read_unlock()`，系统才能确认所有读者都完成了读取。在这个过程中，如果新的读者出现并调用了`rcu_read_lock()`，那么它们也将被计入等待列表中。这个过程可以通过以下伪代码表示： ```c // 进入RCU读取模式 rcu_read_lock(); // 执行读取操作 do_something(); // 退出RCU读取模式 rcu_read_unlock(); ``` 在上述代码中，`do_something()`可以执行任何读取操作而不必担心数据被其他进程修改。 ##### 2.3 维护最近更新对象的多个版本 RCU的一个关键特性是它能够同时维护多个版本的数据，这样就可以在不影响现有读者的情况下进行数据更新。每当数据需要更新时，RCU会创建一个新的副本，并在副本上进行修改。原始数据仍然可供当前的所有读者使用，直到所有的读者都完成了读取。例如，假设有一个链表需要更新，可以按照以下步骤操作： 1. **复制链表**：创建一个包含新元素的链表副本。 2. **修改副本**：在副本上进行必要的更改。 3. **等待读者完成读取**：使用RCU机制确保所有当前的读取操作都已经完成。 4. **替换旧链表**：将副本设置为新的链表，使得所有后续的读取操作都能看到更新后的数据。这种方法确保了即使在数据更新期间，读取操作也能顺利进行。 #### 三、RCU的API ##### 3.1 核心API RCU提供了多个API来帮助开发者有效地使用RCU机制。以下是一些常用的核心API及其功能： 1. **rcu_read_lock()**：进入RCU读取模式。 2. **rcu_read_unlock()**：退出RCU读取模式。 3. **synchronize_rcu()**：等待所有当前的RCU读取操作完成。 4. **rcu_assign_pointer()**：在RCU上下文中安全地赋值指针。 5. **rcu_dereference()**：在RCU上下文中安全地取消引用指针。 **rcu_read_lock()** 和 **rcu_read_unlock()** 用于在读取数据前和后标记读取操作，从而允许RCU机制知道何时有活跃的读取者。 **synchronize_rcu()** 是一个阻塞函数，它会等待所有已经调用过`rcu_read_lock()`但尚未调用`rcu_read_unlock()`的进程完成读取。这是更新数据前的重要步骤。 **rcu_assign_pointer()** 和 **rcu_dereference()** 提供了在RCU环境中安全地操作指针的方法。这些函数确保了在更新指针的过程中不会导致数据不一致的问题。 ##### 3.2 RCU原语之间的关系 RCU中的各个API之间存在着紧密的关系，它们共同协作以确保数据的一致性和读取操作的安全性。例如，`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`通常成对出现，用于标记读取操作的开始和结束；而`synchronize_rcu()`则是在数据更新前调用，以确保所有读取操作都已经完成。 #### 四、RCU使用示例 ##### 4.1 使用RCU保护读多指针考虑一个场景，其中多个进程需要读取一个共享指针数组中的元素。为了确保数据的一致性，可以使用RCU来保护这些读取操作。 ```c #include <linux/rcupdate.h> struct data { int *array; }; struct data *data_ptr; void update_data() { struct data *new_data = kmalloc(sizeof(struct data), GFP_KERNEL); if (!new_data) { return; } // 更新数据... new_data->array[0] = 42; // 发布新数据 rcu_assign_pointer(data_ptr, new_data); // 确保所有读取操作已完成 synchronize_rcu(); kfree(new_data); } int read_data() { int value; rcu_read_lock(); value = data_ptr->array[0]; rcu_read_unlock(); return value; } ``` 在上面的例子中，`update_data()`函数用于更新数据结构。在更新数据之前，使用`rcu_assign_pointer()`安全地将新数据赋值给`data_ptr`。之后，通过调用`synchronize_rcu()`来确保所有读取操作已经完成。 `read_data()`函数用于读取数据，其中包含了`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`，以确保读取操作的安全性。 ##### 4.2 使用RCU保护读多链表对于需要保护的链表，可以使用类似的策略来确保数据的一致性。这里以一个简单的链表为例： ```c struct list_node { int value; struct list_node *next; }; struct list_head { struct list_node *head; }; struct list_head *list_ptr; void update_list() { struct list_node *new_node; struct list_head *new_head; new_head = kmalloc(sizeof(struct list_head), GFP_KERNEL); if (!new_head) { return; } // 创建新节点 new_node = kmalloc(sizeof(struct list_node), GFP_KERNEL); if (!new_node) { kfree(new_head); return; } // 更新数据... new_node->value = 42; new_node->next = NULL; new_head->head = new_node; // 发布新链表 rcu_assign_pointer(list_ptr, new_head); // 确保所有读取操作已完成 synchronize_rcu(); kfree(new_head); kfree(new_node); } void read_list() { struct list_node *node; rcu_read_lock(); for (node = list_ptr->head; node != NULL; node = node->next) { printk(KERN_INFO "Node value: %d\n", node->value); } rcu_read_unlock(); } ``` 在`update_list()`中，首先创建了一个新的链表，并将其赋值给`list_ptr`。随后，通过调用`synchronize_rcu()`来确保所有正在进行的读取操作都已完成。 `read_list()`函数负责遍历链表，并打印出每个节点的值。在这个过程中，`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`被用来保护读取操作。 #### 五、使用注意事项虽然RCU提供了一种非常强大的并发控制方法，但在实际使用中还需要注意以下几个方面： 1. **避免长时间持有锁**：虽然RCU在设计上允许长时间持有读锁，但过长的读取时间仍然可能导致系统性能下降。因此，在编写读取代码时应尽量减少其执行时间。 2. **正确使用API**：使用不当可能会导致数据不一致或死锁等问题。例如，错误地调用`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`可能会导致读取操作没有被正确地标记。 3. **合理规划数据结构**：在设计数据结构时应考虑到RCU的需求。例如，对于复杂的数据结构，可能需要额外的设计来支持RCU。 4. **避免不必要的更新**：频繁的更新会导致RCU性能下降，因为每次更新都需要等待所有读取操作完成。因此，应该尽量减少不必要的数据更新。 RCU机制为Linux内核中的并发控制提供了一种高效且灵活的解决方案。通过对RCU的基本原理、API以及示例的深入理解，开发者可以更好地利用这一机制来提高系统的并发性能和稳定性。

在Linux内核中，RCU (Read-Copy Update) 是一种轻量级的并发控制机制，主要用于处理读多写少的情况，特别是对于那些不需要立即响应的写操作。RCU有多种不同的flavor，每种flavor针对不同的应用场景和优化特性： 1. **RCU vanilla**（标准版RCU）：是最基本的形式，它通过复制整个数据结构并在读取时切换到副本，确保读操作总是看到一致的状态。当写操作完成并通知RCU时，RCU会将所有读者从活跃状态转换为睡眠状态，然后唤醒他们查看已更新的数据。 2. **RCU grace period**：增加了“grace period”阶段，在此期间，新的写操作可以继续，直到旧版本的读取者完全退出。这允许短暂的时间窗口进行大量写操作，提高系统吞吐量。 3. **RCU_bh**（后台进程版本）：适合于对CPU时间敏感的场景，因为它的处理是在后台进程（通常是kworker线程）中异步完成，而不是阻塞主线程。 4. **RCU_preempt**：预抢占模式，适用于实时系统，当系统检测到高优先级任务时，会中断正在运行的RCU事务，但在下次调度前自动恢复。每个flavor都有其优势和局限性，选择合适的RCU flavor取决于系统的具体需求，比如对延迟、吞吐量和实时性的平衡。

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